一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金及其制备方法

本发明属于高熵合金，具体涉及一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金及其制备方法。

背景技术：

1、高熵合金是指包括五种或五个以上的组元，且各组元原子比相等或近等的新型合金体系，由于其具有显著的鸡尾酒效应，容易获得力学性能、抗氧化、抗腐蚀等优异的综合性能，为设计新型高性能结构材料提供了新的合金设计思路。目前高熵合金在室温力学性能表现非常优异，然而，多晶高熵合金在高温下表现出严重的晶间脆化问题，导致其高温拉伸性能过低，严重影响了此类合金在高温领域的大规模应用，因此，近年来人们在扩大高熵合金的应用范围方面做了大量努力，如通过制备单晶的方法来消除晶界以提高高熵合金的高温力学性能，但现有专利所涉及的单晶高熵合金与一般高温领域使用的镍基高温合金性能差距较大，难以满足实际生产需求。

2、申请号为202211644239.3的中国发明专利涉及到一种单晶高熵合金nicocrfetaal及其制备方法，该合金无需后需热处理，降低了合金生产制备的成本，铸态下室温条件具备较高的屈服强度和延伸率，但其在800℃下合金的屈服强度仅为563.1mpa。

3、申请号为201910650636.3的中国发明专利涉及到一种ni-co-al-cr-fe系单晶高熵高温合金及其制备方法，由于在合金中添加了少量的稀土元素，使合金室温下具有较高的抗拉强度和延伸率，但是其屈服强度仅为597mpa，但并未涉及该合金的高温力学性能，且该合金成本较高，无法达到实际应用需求。

4、申请号为202110469364.4的中国发明专利涉及一种宽温、高强度、高塑性及抗氧化单晶高熵合金及制备方法，该合金具有较为优异的抗氧化和低温力学性能，但室温和高温力学性能很低，其在850℃下的屈服强度不足300mpa。

5、因此，目前针对高熵合金高温性能差、脆性大等问题，通过调整合金成分，以固溶强化和析出强化等手段来提高高熵合金的力学性能，另外，选择合适的铸造工艺制备高性能高熵合金，实现高熵合金的应用是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术所提出的问题，本发明的目的是：旨在提供一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金及其制备方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金，合金化学成分按原子百分比为：co35～40％，cr 5～7％，mo 4～6％，al 9～11％，ta 2～4％，ti 3～4％，16％≤al+ti+ta≤17％和剩余的ni，合金成分必须满足混合熵δsmix>1.5r，r为气体常数，所述混合熵按照公式式中，i代表ni，co，cr，mo，al，ti，ta中的任意元素，n为合金中所有元素数之和，ci为i元素的摩尔分数。

4、进一步限定，单晶高熵合金还包括γ基体和γ'析出相，具有高的γ'相体积分数，约70％左右，γ'析出相尺寸在250～300nm。

5、进一步限定，合金单晶取向为<001>取向。

6、一种单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：采用电弧熔炼联合单晶定向凝固工艺，包括以下步骤：

7、s1：采用纯度为99.5％以上的ni，co，cr，mo，al，ti，ta合金元素，按照摩尔分数进行称量配比，放入非自耗电弧熔炼炉的坩埚中，进行反复熔炼后，得到单晶高熵合金母合金纽扣铸锭；

8、s2：熔炼合金之前首先熔炼已有ti锭，所述熔炼ti锭的目的是为了除去电弧熔炼炉中剩余的氧气；

9、s3：放置单质到坩埚中按照合金单质的熔点由低到高的顺序堆垛，熔炼过程需进行电磁搅拌，使合金成分更加均匀；

10、s4：纽扣铸锭切割成金属棒，打磨之后对其进行超声波清洗，得到单晶高熵合金母材，并利用液态金属bridgeman法晶体生长技术将所述单晶高熵合金母材制备成单晶合金；采用籽晶法制备单晶高熵合金，籽晶法所用的籽晶取向为<001>取向；

11、s5：定向凝固过程中浇注温度1540℃，保温时间1h，定向凝固过程中的抽拉速率为100μm/s，将所述单晶合金进行固溶处理，得到固溶合金，将所述固溶合金进行时效处理，得到单晶高熵合金。

12、进一步限定，所述固溶处理工艺为1220℃/1h+1230℃/2h+1240℃/2h+1250℃/4h。

13、进一步限定，所述固溶处理在氩气保护下进行。

14、进一步限定，所述固溶处理的冷却方式为空冷。

15、进一步限定，所述时效处理温度为1050℃，保温时间4h。

16、进一步限定，所述时效处理在氩气保护下进行。

17、进一步限定，所述时效处理的冷却方式为空冷。

18、本发明的有益效果为：

19、1、本发明的单晶高熵合金含有较多的al、ti和cr元素，明显降低合金的成本以及密度；

20、2、本发明的单晶高熵合金热处理工工艺相对简单，使合金生产效率提高，大大降低了合金生产制备的成本；

21、3、发明通过控制元素种类和含量，使合金组织中γ'析出相的体积分数达到70％左右，通过控制热处理工艺，使γ'析出相尺寸在250～300nm，有利于高温力学性能的提升；

22、4、本发明的单晶高熵合金具备优良的高温力学性能，，在800℃下合金的屈服强度为875mpa，抗拉强度为1038mpa，延伸率为37％，基本达到了二代镍基单晶高温合金renén5的水平，具有很大的应用潜力。

技术特征：

1.一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金，其特征在于：合金化学成分按原子百分比为：co 35～40％，cr 5～7％，mo 4～6％，al 9～11％，ta 2～4％，ti 3～4％，16％≤al+ti+ta≤17％和剩余的ni，合金成分必须满足混合熵δsmix>1.5r，r为气体常数，所述混合熵按照公式式中，i代表ni，co，cr，mo，al，ti，ta中的任意元素，n为合金中所有元素数之和，ci为i元素的摩尔分数。

2.根据权利要求1所述的一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金，其特征在于：单晶高熵合金还包括γ基体和γ'析出相，具有高的γ'相体积分数，约70％左右，γ'析出相尺寸在250～300nm。

3.根据权利要求2所述的一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金，其特征在于：合金单晶取向为<001>取向。

4.一种基于权利要求1～3任意一项所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：采用电弧熔炼联合单晶定向凝固工艺，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理工艺为1220℃/1h+1230℃/2h+1240℃/2h+1250℃/4h。

6.根据权利要求5所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理在氩气保护下进行。

7.根据权利要求6所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的冷却方式为空冷。

8.根据权利要求7所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理温度为1050℃，保温时间4h。

9.根据权利要求8所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理在氩气保护下进行。

10.根据权利要求9所述的单晶高熵合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的冷却方式为空冷。

技术总结
本发明公开了一种具有优异高温力学性能的单晶高熵合金，合金化学成分按原子百分比为：Co 35～40％，Cr 5～7％，Mo 4～6％，Al 9～11％，Ta 2～4％，Ti 3～4％，16％≤Al+Ti+Ta≤17％和剩余的Ni。本发明单晶高熵合金包括γ基体和γ'析出相，具有较高的γ'相体积分数，约70％左右，γ'析出相尺寸在250～300nm。本发明含有较多的Al、Ti和Cr元素，明显降低合金的成本以及密度，本发明的热处理工艺简单，合金生产效率提高，降低了合金生产制备的成本，本发明通过控制元素种类和含量，有利于高温力学性能的提升。本发明的单晶高熵合金具备优良的高温力学性能，在800℃下合金的屈服强度为875MPa，抗拉强度为1038MPa，延伸率为37％，达到了二代镍基单晶高温合金RenéN5的水平，具有很大的应用潜力。

技术研发人员：杨文超,王强,林舜生,郭敏,黄太文,苏海军,张军,刘林
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16